Das glaube ich nicht
Im Sommer ist Kühlung – im Winter dagegen Wärmedämmung gefragt. Nun haben Forscher ein Hüllmaterial für Gebäude entwickelt, das sich durch einen raffinierten Mechanismus auf diesen unterschiedlichen Bedarf einstellen lässt: Das Material kann reversibel von einem Zustand mit geringer zu einem mit intensiver Wärmeabstrahlung umgeschaltet werden, wodurch eine wärmende oder aber kühlende Wirkung entsteht. Der Effekt basiert auf der Bildung beziehungsweise Auflösung einer festen Schicht in dem Material. In dem System steckt erhebliches Potenzial zur Einsparung von Energie für die Temperaturregulation von Gebäuden, sagen die Entwickler.
Die Bedeutung ist immens: Die Temperaturregulation in den Gebäuden der Welt verschlingt enorme Energiemengen, denn meist sind dabei Klimaanlagen und Heizungen im Einsatz. “Lange hat man die Regelung der Innentemperatur als selbstverständlich angesehen, ohne darüber nachzudenken, wie viel Energie dafür benötigt wird”, sagt Chun Hsu von der University of Chicago. “Doch wenn wir nun eine klimafreundliche Zukunft anstreben, müssen wir verschiedene Möglichkeiten in Betracht ziehen, die Gebäudetemperatur auf energieeffizientere Weise günstig zu beeinflussen“, so der Seniorautor der aktuellen Studie.
Anpassungsfähigkeit ist gefragt
Um Gebäuden eine grundlegende Fähigkeit zu geben, kühl zu bleiben, lässt sich das Prinzip der Strahlungskühlung nutzen. Dabei kommen Materialien zum Einsatz, die besonders intensiv Infrarotstrahlung abgeben – die unsichtbare Wärmestrahlung, die auch von Menschen und warmen Gegenständen ausgeht. Umgekehrt lassen sich Materialien mit sehr geringen Abstrahlungswerten einsetzen, um die Wärmeverluste von Gebäuden in kalten Klimazonen einzudämmen. Doch in vielen Regionen ist bekanntlich je nach Jahreszeit das eine oder das andere gefragt. Nur wenige Klimazonen erfordern eine ganzjährige Heizung oder Kühlung durch eine Klimaanlage. Prognosen zufolge könnte außerdem die Wechselhaftigkeit des Wetters im Zuge des Klimawandels auch noch deutlich zunehmen.
Um Gebäudeoberflächen mehr Anpassungsfähigkeit bei der Wärmeabstrahlung zu verleihen, haben Hsu und seine Kollegen nun ein Verfahren genutzt, das auf dem Prinzip der sogenannten Elektrochromie basiert. Diese Technologie beruht auf der Änderung optischer Materialeigenschaften durch ein äußeres elektrisches Feld oder einen Stromfluss. Bisher ist diese Technologie jedoch weitgehend auf den sichtbaren Wellenlängenbereich beschränkt. Zudem bestand ein Problem darin, dass bisher übliche Elektrolyt-Stoffe leicht brennbar sind und sich deshalb nicht für den Einsatz in flächigen Umhüllungen von Gebäuden eignen. Auch bei diesem Aspekt kann das neue elektrochrome Material nun punkten, sagen die Forscher.
Vom Metall zur Flüssigkeit und zurück
Bei dem nicht brennbaren Material handelt es sich um ein cleveres Schichtsystem: Die obere Einheit wird aus einer Kombination von Polyethylen, einem feinen Goldgitter und einem Hauch von Graphen gebildet. Diese Lage fungiert als Elektrode und ist transparent. Darunter befindet sich ein flüssiger Elektrolyt auf der Basis von Perchlorat, in dem Kupfer gelöst ist. Die unterste Schicht wird von einer Kupferfolie gebildet und dient als die zweite Elektrode des Systems. Wenn nun eine vergleichsweise geringe Spannung angelegt wird, bildet das in dem Elektrolyt gelöste Kupfer eine feste Metallschicht unter der oberen Elektrode aus. Wird die elektrische Polung umgekehrt, löst sich diese Schicht dann wieder auf.
Bei beiden Zuständen besitzt das Material stark unterschiedliche Wärmeabstrahlungs-Eigenschaften, erklären die Forscher: Die Kupferschicht führt zu einer geringen Wärmeabgabe. Ohne sie strahlt der Elektrolyt hingegen intensiv im Infrarotbereich – etwa um den Faktor zehn mehr. “Wir haben letztlich einen energiesparenden Weg gefunden, ein Gebäude wie einen Menschen zu behandeln: Man fügt eine Schicht hinzu, wenn einem kalt ist, und nimmt eine Schicht weg, wenn einem warm ist”, sagt Hsu. Tests des Materials zeigten, dass es schnell und reversibel zwischen dem metallischen und dem flüssigen Zustand wechseln kann – und auch mit Ausdauer: Nach 1800 Zyklen funktioniert das System noch effizient.
Energiespar-Potenzial
“Mit dieser Art von intelligentem Material könnte man also die Temperatur in einem Gebäude ohne großen Energieaufwand steuern“, so Hsu. “Denn sobald man zwischen den Zuständen gewechselt hat, muss man keine weitere Energie mehr aufwenden, um in einem der beiden Zustände zu bleiben”. Durch Modellkalkulationen auf der Basis ihrer Ergebnisse konnten die Forscher auch aufzeigen, dass der Einsatz des Materials an Gebäuden in Regionen mit saisonal schwankenden Temperaturen zu erheblichen Energieeinsparungen führen könnte.
Bis zu einem Einsatz des Systems ist allerdings noch einige Entwicklungsarbeit nötig, geben die Forscher zu bedenken. Denn bislang haben sie nur Stücke des Materials mit einem Durchmesser von etwa sechs Zentimetern hergestellt. Doch ihnen zufolge lässt sich das Konzept skalieren. Sinnvoll könnte etwa sein, viele solcher Einheiten zu größeren Platten zusammenzusetzen. Die Forscher arbeiten momentan auch an der Optimierung der Herstellung und der Materialkosten, um das Konzept praktikabel zu machen. “Wir haben nun zunächst aufgezeigt, dass die Strahlungssteuerung eine Rolle bei der Kontrolle von Gebäudetemperaturen zu verschiedenen Jahreszeiten spielen kann. Nun arbeiten wir mit anderen Experten und dem Bausektor zusammen, um herauszufinden, wie dies zu einer nachhaltigeren Zukunft beitragen kann”, so Hsu.
Quelle: University of Chicago, Fachartikel: Nature Sustainability, doi: 10.1038/s41893-022-01023-2
